Holzbau

aktuelle Forschungsprojekte

Entwicklung und Standardisierung von innovativen Holz-Holz-Verbindungen zur Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz im Holzbau

Untersuchungen zum Anschlussverhalten und Optimierung der Anschlussgeometrie leistungsfähiger Holz-Holz-Verbindungen sowie Schaffung einer systematisierten Bemessungsmethoden als Grundlage einer Standardisierung typisierter Anschlüsse im Holzbau für reine Holz-Holz-Verbindungen.

Kurzbeschreibung des Projekts

Gegenstand des Projekts ist die Entwicklung von optimierten Geometrien und die Schaffung einer Bemessungsgrundlage von Anschüssen im Holzbau.

Das Hauptaugenmerk richtet sich dabei auf momententragfähige Queranschlüsse von Stäben. Im Rahmen des Vorhabens werden innovative Formen erarbeitet und analysiert, die Weiterentwicklungen traditioneller Holzverbindungen darstellen. Dazu zählen Holzlaschen und Holzstifte in Kombination mit einer Verzahnung, die sich im Kontaktbereich von Träger und Stütze befindet, als auch schräg angeordnete Holzdübel sowie eingeklebte, hölzerne Einhängebeschläge, welche im Möbelbau schon länger Einsatz finden. Die gezielte Verwendung von hochfesten Holzwerkstoffen im Anschlussbereich soll hierbei ebenfalls positiven Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Knoten nehmen. Um eine weitere Steigerung der Konkurrenzfähigkeit des modernen Holzbaus zu realisieren, soll zudem die Standardisierung von Holz-Holzverbindungen erweitert werden. Dabei wird ein Berechnungsverfahren auf Basis einer Komponentenmethode erarbeitet, dessen Anwendung eine zielgerichtete Bemessung der einzelnen Anschlusskomponenten, getrennt in Zug- und Druckzone, möglich ist. Eine Konfiguration bedarfsorientierter Anschlüsse wird damit abgedeckt. Besonderes Augenmerk ist auf eine realitätsnahe Integration des tatsächlichen Anschlussverhaltens zu legen. Hierfür werden umfangreiche experimentelle sowie numerische Untersuchungen durchgeführt und wissenschaftliche Publikationen ausgewertet, um die notwendigen Parameter und deren Einfluss auf das nichtlineare Last-Verformungsverhalten bestimmen zu können. Mittels einer komponentenbasierten Methode sollen so nachgiebige Anschlüsse konstruiert werden, deren Momenten-Querkraft-Rotations-Beziehung in der Tragwerksberechnung berücksichtigt wird, wodurch diese fähig sind, Lasten bei lokalem Versagen umzulagern, um ein duktiles Verhalten zu gewährleisten und die Anforderungen an Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit sicher zu erfüllen.

Forschungslücke und Kernthese

Durch den gezielten Einsatz hochfester Holzwerkstoffe und durch die stetig fortschreitende Fertigungstechnik sind optimierte Holz-Holzverbindungen herstellbar, die hinsichtlich der Leistungsfähigkeit mit Verbindungsmitteln aus Stahl konkurrieren können. Dazu bedarf es vor allem einer Methode, die auf Basis wissenschaftlicher Forschung im Stande ist, realitätsnahe Aussagen zum Last-Verformungsverhalten zu tätigen und durch Optimierung einzelner Verbindungskomponenten die Systematisierung von Queranschlüssen aus reinen Holz-Holzverbindungen akzeleriert. Hierfür bietet sich die Komponentenmethode an, mit deren Hilfe eine elastisch-plastische Bemessung möglich wird. Der Gesamtanschluss wird dabei in einen Zug- und Druckbereich - als horizontale Federn - unterteilt und die spröden Zugkomponenten so verstärkt, dass horizontale, duktile Verformungen im Druckbereich stattfinden können. Der Querkraftabtrag wird im überdrückten Bereich gewährleistet, um schließlich eine adäquate Rotationskapazität zu erreichen. Zudem können auch die vertikal wirkenden Druckkontakte zw. den einzelnen Anschlusskomponenten für die Rotationssteifigkeit des Gesamtanschlusses in Form von Rotationsfedern berücksichtigt werden. Somit begründet sich der Bedarf nach einer wissenschaftliche Auseinandersetzung primär in zwei Bereichen: Einerseits wird die Integration neuentwickelter Theorien zu verformungsabhängigen, nichtlinearen Eigenschafen von (Quer-) Druckkontakten fokussiert. Andererseits die Verstärkung/Optimierung des spröden Zugbereiches. Neue Theorien lassen sich bei Verzahnungen (bekannt aus dem Maschinenbau) und stiftförmigen Verbindungsmitteln aus Holz (modelliert über einen elastisch gebetteten Balken) unter der Berücksichtigung von plastischen Verformungen integrieren. Durch Verklebungen im spröden Zugbereich ist eine Steigerung der Verformungskapazität möglich. Eine Momentenumlagerung ins Feld und die gleichzeitige Steigerung der aufnehmbaren Querkraft kann hierdurch ebenfalls erreicht werden.

Begründung und Benennung des öffentlichen Interesses

Die Entwicklung neuer leistungsfähiger Bauteilanschlüsse im Anwendungsbereich von Holztragwerken bietet durch die Anwendung von neuentwickelten, komponentenbasierten Bemessungsverfahren einen maßgeblichen Einfluss auf die Tragfähigkeit, Steifigkeit und Gebrauchstauglichkeit der gesamten Tragwerksstruktur zu nehmen und den Widerstand gegenüber statischen sowie dynamischen Beanspruchungen signifikant zu steigern. Die Berücksichtigung von Rotationssteifigkeiten und die bedarfsgerechte Auslegung nachgiebiger Anschlüsse aus Holz-Holzverbindungen stellt eine deutliche Erweiterung der vorh. Regelungen dar.

Neben größeren Spannweiten von Tragwerken und unzähligen Vorteilen durch die Standardisierung reiner Holz-Holz-Verbindungen, ist v. a. die vermehrte Einsparung von Material und Energie bei deren Herstellung zu nennen. Dies wirkt sich positiv auf die Ressourceneffizienz und somit auf die Attraktivität des Holzbaus aus. Die hier fokussierte Vermeidung von Stahlformteilen als Verbindungsmittel im Bauprozess trägt durch die Einsparung von grauer Energie zu einer positiveren Ökobilanzierung bei.

Neben den genannten ökologischen Vorteilen von Holz-Holz-Verbindungen finden sich weitere diverse zukunftsorientierte Eigenschaften: So können bedingt durch die hochentwickelte Maschinentechnologie selbst komplizierte Konstruktionsformen präzise und wirtschaftlich produziert werden. Der hohe Vorfertigungsgrad und die darin begründete Kostenreduzierung, aufgrund der nicht benötigten Stahlverbindungsmittel, steigern die Wirtschaftlichkeit und die Konkurrenzfähigkeit des Holzbaus. Des Weiteren besitzen Holz-Holz-Verbindungen im Gegensatz zu Stahlformteilen deutlich bessere Brandschutzeigenschaften und annähernde Korrosionsfreiheit sowie maßgeblich gleichmäßigere Quell- und Schwindprozesse von Verbindungsmitteln und anzuschließenden Bauteilen.

Durch normative Änderungen im EC8 (Erdbeben) entsteht zugleich großes Interesse an Erkenntnissen zur Duktilität und der Robustheit.

Forschungsprogramm

Forschungsinitiative „Zukunft Bau“, ein Forschungsprogramm des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit im Auftrag des Bundesinstituts für Bau-, Stadt-, und Raumforschung (BBSR) im Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (BBR)